Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
Proteina Ras

Molecola del Mese di Aprile 2012
Parole chiave: oncogene, proteina che lega GTP, GTP binding protein, GDP, segnale di crescita, proteina mitogenica, GTPasi

Introduzione
Le cellule si mandano continuamente messaggi per determinare quanti nutrienti servono, quanto è necessario crescere e per gestire le necessità interne di ogni cellula. Questi messaggi devono essere forti e chiari perchè devono essere sentiti distintamente sovrastando il rumore di fondo delle normali attività del citoplasma. Un modo per rinforzare il segnale è di legarlo ad un processo irreversibile come la rottura di ATP o GTP. La proteina Ras, mostrata qui a destra (file PDB 5p21), usa questa strategia.
Normalmente si trova nello stato inattivo e lega GDP nel suo sito di legame.
Si può trasformare nella forma attiva sostituendo GDP con GTP. Poi, dopo che il segnale è stato mandato, il GTP viene tagliato in GDP e fosfato disattivando la proteina. E' molto importante che la proteina Ras abbia uno stato inattivo ben riconoscibile, perchè è direttamente coinvolta nel controllo della crescita cellulare e nella mitosi.

Oncogene Ras
Gli oncogeni sono geni che, se mutati, possono provocare il cancro, e il gene che codifica la proteina Ras è stato uno dei primi ad essere scoperto. La mutazione di un oncogene cambia la sequenza e quindi la funzione della proteina codificata, che così può assumere proprietà pericolose che sono necessarie al cancro per crescere e diffondersi.
Altri geni, gli oncosoppressori, sono geni che, se mutati, possono non riuscire più a contrastare il cancro, codificano per proteine coinvolte nell'apoptosi, la morte cellulare programmata, come il soppressore di tumore p53, (mdm 7-2002).
Le mutazioni che provocano il cancro, a carico degli oncogeni o degli oncosoppressori, consentono alle cellule di evitare i controlli rigorosi che normalmente impediscono la crescita cellulare incontrollata. La proteina Ras è coinvolta nei segnali tra le cellule che controllano la crescita e la moltiplicazione cellulare. La mutazione della proteina Ras che può produrre il cancro, la obbliga a rimanere sempre nella forma attiva. Questo è un disastro perchè la proteina Ras mutata stimola continuamente la crescita delle cellule del cancro vincendo i normali freni che controllano la crescita cellulare.

I Partner della Proteina Ras
Ras si trova nel mezzo di una complessa rete di segnalazione che trasmette messaggi di crescita ed è affiancata da molte altre proteine.
Le proteine GEF (Guanina nucleotide Exchange Factor), come Sos-1 mostrata qui a fianco (PDB 1bkd), hanno il compito di attivare Ras. Forzano l'apertura del sito di legame della proteina Ras e così consentono a GDP di uscire. Nel sito di legame vuoto entra quindi GTP che rende la proteina Ras attiva e la fa interagire con effettori come PI3Kgamma (PDB 1he8), una proteina chinasi che fosforila altre proteine della rete di segnalazione.
Le proteine GAP (GTPase Activating Protein) come p120 GAP mostrata qui a fianco (PDB 1wq1), hanno invece il compito di disattivare Ras. Inseriscono un amminoacido di arginina nel sito di legame di Ras, questa, insieme con la glutammina 61 di Ras, favorisce il trasferimento di un fosfato dal GTP che si trasforma in GDP. Ras, comunque sa inattivarsi anche da sola rompendo il legame fosfato del GTP con la sola glutammina 61, però lo fa molto più lentamente.





fig. a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . fig. b

Esplorando la Struttura

Sono state determinate molte strutture della proteina Ras che hanno permesso di individuare le diverse conformazioni che la proteina assume nelle varie fasi del suo ciclo di segnalazione. Le due strutture illustrate qui sopra mostrano Ras con GTP (fig. a, guanosina e ribosio sono bianchi, i tre gruppi fosfato sono rosa, arancione e rosso) e con GDP (fig. b), quindi nei due stati attivo e inattivo (file PDB 5p21 e 4q21). Il confronto di queste due strutture dimostra che due tratti della proteina (verdi) che circondano il nucleotide cambiano conformazione. Questo è il segnale che viene riconosciuto dagli effettori e quindi innesca la cascata di fosforilazioni.

fig. c

Queste strutture hanno anche rivelato l'importanza della glutammina 61 (sfere verdi) che tiene nella giusta posizione una molecola d'acqua che realizza la reazione di idrolisi dell'estere fosforico.

La struttura illustrata qui sopra (PDB 1wq1) mostra Ras legata alla proteina GAP (catena rosso scura). GAP introduce una arginina (non evidenziata) alle spalle del fosfato da rimuovere (rosso) e inoltre fa avvicinare al fosfato la glutammina 61 (sfere verdi) e una molecola di acqua (gialla). In questo modo la rimozione del fosfato risulta molto facile.
La glutammina 61 è spesso mutata nelle cellule tumorali e quindi il GTP non può essere idrolizzato (nemmeno con l'aiuto di GAP) e così la proteina Ras resta sempre nella forma attiva inducendo le cellule cancerose a crescere senza controllo.

fig. d

La struttura illustrata qui sopra (PDB 3tgp) è stata ottenuta con una nuova tecnica cristallografica che rispetta maggiormente la vera struttura delle proteine a temperatura ambiente (mentre tradizionalmente i cristalli di proteine si ottenevano raffreddando le soluzioni proteiche a -180 °C e questo può alterare significativamente la struttura 3d della proteina). La proteina Ras mostrata qui sopra è lievemente diversa da quella in fig.a.
La glutammina 61 può assumere due conformazioni evidenziate con sfere verdi grosse o piccole.
Si nota che la glutammina 61 (sfere verdi più piccole) e la molecola di acqua (gialla) si trovano quasi nella stessa posizione della figura precedente (fig. c) che era aiutata dalla proteina GAP. Questo giustifica la capacità della proteina Ras di idrolizzare da sola GTP seppure più lentamente di quanto avviene con l'aiuto di GAP.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
-- Negli archivi PDB potete trovare molte forme mutate di Ras, comprese quelle con mutazioni a livello della glutammina 61. Usate lo strumento "Structure Comparison" nel sito PDB per confrontare queste strutture con quelle normali di Ras.
-- Le strutture di Ras che dovrebbero contenere GTP in realtà contengono forme modificate di GTP, con azoto o carbonio legati ai gruppi fosfato. Perchè è necessario inserire GTP mutati nelle strutture che vengono risolte con la diffrazione ai raggi X?


Bibliografia


-- Y. Pylayeva-Gupta, E. Grabocka and D. Bar-Sagi (2011) Ras oncogenes: weaving a tumorigenic web. Nature Reviews Cancer 11, 761-774.
-- I. R. Vetter and A. Wittinghofer (2001) The guanine nucleotide-binding switch in three dimensions. Science 294, 1299-1304.



Codici PDB Correlati
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